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与传统风速风向传感器相比，MEMS（微电子机械系统）风速风向传感器具有微型化、集成化、低功耗、低成本的优势，在农业、工业、交通以及国防等领域有广泛应用前景，是风速风向传感器研发的前沿方向。东南大学MEMS教育部重点实验室自2000年开始研究热式 MEMS 风速风向传感器，已经在设计、制造、封装、测量与控制、可靠性等方面形成了完整解决方案，但目前的产品采用热温差工作原理，较复杂的测量与控制电路会引起传感器系统功耗和成本增加，外置环境温度传感器与芯片温度传感器的温度变化率不同，增加了风速风向传感器温度补偿难度。针对这些问题，本文的主要研究内容和创新如下：
（1）系统综述了国内外MEMS风速风向传感器发展，分析比较了传感器工作模式和测控方法。
（2）提出一种自加热双惠斯通电桥风速风向传感器结构，不需环境温度传感器与芯片温度传感器，简化了测量与控制电路。
用恒流源激励传感器两个正交方向上四个热敏感电阻组成的自加热惠斯通电桥，用两个电桥输出电压均值来表征风速，两个惠斯通电桥的桥路输出电压表征风向。基于热学原理和惠斯通桥路理论，建立了传感器输出电压与流体流速的表达式，并用有限元软件进行了验证。采用陶瓷衬底和金属剥离技术，设计并制备出风速风向传感器，传感器灵敏度达29.35 mV/(m/s)@3.3 m/s和2.38 mV/(m/s)@23.9 m/s。研制的传感器室温下在0～40 m/s风速范围内，风速测量误差小于±2 m/s；在0°至360°的全角度风向测量范围内，风向测量误差小于±3 °。
（3）建立了自加热双惠斯通电桥风速风向传感器温度效应模型，实现了传感器温度补偿。
通过考虑空气热物理参数、衬底材料导热系数、热敏电阻阻值随环境温度的变化，建立了自加热双惠斯通电桥风速风向传感器温度效应的理论公式，并用有限元分析验证。通过传感器在变温风洞中测试，提取出理论公式的温度效应系数，实现了温度漂移补偿。实验结果表明：在温度270～310K范围，风速误差小于±1.5 m/s；风向误差小于±4°。
（4）提出并实现一种四周隔热岛组装方案，实现传感器系统的室外工作。将温度敏感电阻制备在陶瓷衬底上，划片后的方形陶瓷热敏感芯片四周用低导热胶与挖孔陶瓷片相连，为传感器提供了稳定的气体流场，又有效降低传感器横向热阻。校准后，传感器系统在室温下满足测试需求，在0～60 m/s风速范围内，风速误差小于±（0.5＋0.03V）m/s，风向误差±3.5°。
本文实现的风速风向传感器测控电路简单，全温区、全量程稳定性较好，对MEMS风速风向传感器发展有重要参考价值。
（1）系统综述了国内外MEMS风速风向传感器发展，分析比较了传感器工作模式和测控方法。
（2）提出一种自加热双惠斯通电桥风速风向传感器结构，不需环境温度传感器与芯片温度传感器，简化了测量与控制电路。
用恒流源激励传感器两个正交方向上四个热敏感电阻组成的自加热惠斯通电桥，用两个电桥输出电压均值来表征风速，两个惠斯通电桥的桥路输出电压表征风向。基于热学原理和惠斯通桥路理论，建立了传感器输出电压与流体流速的表达式，并用有限元软件进行了验证。采用陶瓷衬底和金属剥离技术，设计并制备出风速风向传感器，传感器灵敏度达29.35 mV/(m/s)@3.3 m/s和2.38 mV/(m/s)@23.9 m/s。研制的传感器室温下在0～40 m/s风速范围内，风速测量误差小于±2 m/s；在0°至360°的全角度风向测量范围内，风向测量误差小于±3 °。
（3）建立了自加热双惠斯通电桥风速风向传感器温度效应模型，实现了传感器温度补偿。
通过考虑空气热物理参数、衬底材料导热系数、热敏电阻阻值随环境温度的变化，建立了自加热双惠斯通电桥风速风向传感器温度效应的理论公式，并用有限元分析验证。通过传感器在变温风洞中测试，提取出理论公式的温度效应系数，实现了温度漂移补偿。实验结果表明：在温度270～310K范围，风速误差小于±1.5 m/s；风向误差小于±4°。
（4）提出并实现一种四周隔热岛组装方案，实现传感器系统的室外工作。将温度敏感电阻制备在陶瓷衬底上，划片后的方形陶瓷热敏感芯片四周用低导热胶与挖孔陶瓷片相连，为传感器提供了稳定的气体流场，又有效降低传感器横向热阻。校准后，传感器系统在室温下满足测试需求，在0～60 m/s风速范围内，风速误差小于±（0.5＋0.03V）m/s，风向误差±3.5°。
本文实现的风速风向传感器测控电路简单，全温区、全量程稳定性较好，对MEMS风速风向传感器发展有重要参考价值。